Ενισχυμένη εκπομπή THz από GaAs με φωτοαποδόμηση από υπερβραχείς παλμούς

Abstract

In this thesis research, is presented the study and development of the first photoconductive antenna for generating Terahertz (THz), made of a Gallium Arsenide (GaAs) substrate, treated with femtosecond laser pulses, demonstrating increased performance compared to non-ablated antennas. Ripples are observed on the surface of the device after the laser ablation and we assume they are responsible for the increased performance. They are studied theoretically and experimentally, in order to explain this behavior. For the first time, a theoretical model is made to study GaAs ultrafast dynamics under irradiation of femtosecond laser pulses. In this model, energy balance equations are used to explain the ultrashort time-scales and evolution of dynamics. They are resolved numerically due to their coupled non-linear complexity, while the stability of the solution is ensured. Evolution of carrier density, electron and lattice temperature are the measured variables in order to obtain the thermal response of GaAs. The optical properties with dependence to fluence and pulse duration of the laser are studied, namely reflectivity and dielectric constant. The ripple wavelength is numerically calculated from our model and compared to our experimental data. The material’s damage threshold dependence on laser pulse duration was also calculated.A parametric analysis based on the properties of the ablation laser pulse and how it affects the ripples was performed and the measured properties are the applied power intensity, the overlapping area on each spot, polarization angle and number of pulses per spot. In the last chapter, using THz-TDS setup, the laser ablated GaAs antenna is measured for its THz generation performance and compared to a non-ablated antenna. Despite higher THz efficiency the following I-V measurements of the photocurrent, return lower values. To explain this discrepancy, an Optical Pump THz Probe (OPTP) setup is used to measure the excited carrier lifetime and photoconductivity. Complementary, Fourier Transform Infrared (FTIR) measurements are performed, to confirm higher photo-absorption and Hall Effect measurements are made for measuring the level of doping, sheet concentration and carrier mobility.

Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η μελέτη και η ανάπτυξη της πρώτης φωτοαγώγιμης κεραίας για παραγωγή Terahertz (THz), κατασκευασμένη από υπόστρωμα Αρσενίδιου του Γαλλίου (GaAs), επεξεργασμένη με παλμούς λέιζερ φεμτοδευτερολέπτων, επιδεικνύοντας αυξημένη απόδοση σε σύγκριση με μη επεξεργασμένες κεραίες. Παρατηρούνται κυματισμοί στην επιφάνεια της διάταξης, μετά την φωτοαποδόμηση με λέιζερ και υποθέτουμε ότι είναι υπεύθυνοι για την αυξημένη απόδοση. Οι κυματισμοί μελετώνται θεωρητικά και πειραματικά, για να εξηγηθεί αυτή τη συμπεριφορά. Για πρώτη φορά, δημιουργείται θεωρητικό μοντέλο για να μελετηθούν οι υπερταχείς δυναμικές του GaAs υπό την επίδραση ακτινοβολίας λέιζερ παλμών φεμτοδευτερολέπτων. Σε αυτό το μοντέλο, χρησιμοποιούνται εξισώσεις ενεργειακής ισορροπίας για να εξηγήσουν τις υπερβραχείς χρονο-κλίμακες και την εξέλιξη των δυναμικών. Επιλύονται αριθμητικά λόγω της συζευγμένης μη-γραμμικής πολυπλοκότητας τους, ενώ διασφαλίζεται η σταθερότητα της λύσης.Μελετάμε μεταβλητές όπως την εξέλιξη της πυκνότητας φορέων, της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων και του πλέγματος, προκειμένου να μετρηθεί η θερμική απόκριση του GaAs.Μελετώνται οι οπτικές ιδιότητες με εξάρτηση ως προς την ενεργειακή πυκνότητα και τη διάρκεια του παλμού του λέιζερ, οι οποίες είναι η ανακλαστικότητα και η διηλεκτρική σταθερά. Το μήκος κύματος των κυματισμών υπολογίζεται αριθμητικά από το μοντέλο μας και συγκρίνεται με πειραματικά μας δεδομένα. Υπολογίστηκε επίσης το όριο μόνιμης καταστροφής του υλικού ως προς τη διάρκεια του παλμού λέιζερ. Πραγματοποιήθηκε παραμετρική ανάλυση με βάση τις ιδιότητες του παλμού του λέιζερ απόξεσης, για το πως επηρεάζει τον κυματισμό, ενώ οι ιδιότητες που μετρήθηκαν, είναι η ένταση της ισχύος του παλμού, το ποσοστό αλληλοεπικάλυψης της ενεργούς επιφάνειας του παλμού, η γωνία της πόλωσης του παλμού και αριθμός ενεργών παλμών ανά σημείο. Στο τελευταίο κεφάλαιο, χρησιμοποιώντας διάταξη THz-TDS, μετρήθηκε η απόδοση παραγωγής ακτινοβολίας THz από κεραία GaAs, που έχει φωτοαποδομηθεί με λέιζερ και συγκρίνεται με μη-επεξεργασμένη κεραία. Παρά την υψηλότερη απόδοση ακτινοβολίας THz, οι μετρήσεις I-V που ακολούθησαν, έδειξαν χαμηλότερες τιμές φωτορεύματος. Για την εξήγηση αυτής της ασυμφωνίας, χρησιμοποιήθηκε διάταξη Optical Pump THz Probe (OPTP)για τη μέτρηση της διάρκειας ζωής των διεγερμένων φορέων και της φωτοαγωγιμότητας. Έγιναν συμπληρωματικές μετρήσεις φασματοσκοπίας Fourier Transform Infrared (FTIR), για την επιβεβαίωση της υψηλότερης φωτοαπορρόφησης ενώ έγιναν και μετρήσεις φαινομένου του Hall, για τη μέτρηση του επιπέδου του προσμίξεων, της επιφανειακής συγκέντρωσης και την κινητικότητα των φορέων.